新型分布式能源三联供系统的建设与分析

张洪伟 中国五环工程有限公司 武汉 430223

1 概述

新型分布式能源系统(Distributed Energy System，简称DES)是一种建立在能量梯级利用概念基础上，通过能量梯级利用原理，使热工设备产生的具有高品位的蒸汽∕燃气带动发电机发电或利用燃料电池技术供电，冬季可利用热工设备的抽汽或排汽向用户供热，夏季可利用余热吸收式制冷机向用户供冷以及全年提供卫生热水或其它用途的热能一体化多联产或分产系统［1］。同时，微型自动化能源装置和通过网络技术进行的智能化优化能力克服了以往小型化装置不易于管理和控制、运行成本过高的缺点，实现系统化、智能化和经济最优的目的。

DES 主要是以下设备集成的系统:发电设备(汽轮机、燃气轮机、微型涡轮机、内燃机或燃料电池)、供热或制冷设备(溴化锂吸收式冷热水机组、电制冷机组)、锅炉或蓄热系统、汽-水热交换器、为用汽户提供合适蒸汽参数的调节装置以及建筑控制设备等。可应用于DES 的能源有化石燃料(煤炭)、气体燃料(天然气、煤层气、沼气等)、液体燃料(石油)、可再生能源(太阳能、风能以及潮汐能等)、核能以及城市固体垃圾废物等。

国内外研究的实践表明，DES 在温室气体排放、环境保护、能源的高效利用等方面表现出了极大的优势，拥有巨大的市场潜力和商业价值，已成为能源动力产业发展的主要方向之一。

首先，DES 利用各种热工设备进行分布式供电，与常规燃煤火力发电相比能更有效控制有害气体的排放，易于小水力、太阳能、核能或其他新能源技术的介入，是可持续发展最有希望的技术之一。

近年来，大型电站的不断建设投产，使电网急速膨胀，给供电的安全与稳定蒙上一层阴影。我们可以从美国新增电站发展历史［2］(见图1)情况上看出:在主体电力供应系统已经形成规模的情况下，电站建设的规模不应该一味求大，应该强调发展灵活性更大、效益更好的中小型联供电站，可有效提高供电安全，弥补大电网在安全稳定性方面的不足。

图1 美国新增电站平均容量的发展历史

其次，DES 在降低CO2等污染空气的排放物方面具有很大的潜力。据专家估算，美国如果从2000年起每年有4%的现有建筑供电、供暖和供冷采用分布式能源系统，从2005年起25%的新建建筑及从2010年起50%的新建建筑采用此系统，到2020年的CO2的排放量将减少19%。如果将现有建筑实施DES 的比例从4%提高到8%，到2020年二氧化碳的排放量将减少30%［3］。虽然在我国这方面的数据还没有明确提出，但是可以预见到在大量采用DES 后，我国CO2的排量将会大幅减少。

再次，DES 与集中式发电—远程送电比较，可以大幅提高能源利用效率。大型发电厂的发电效率一般为35% ～55%，扣除厂用电和线损率，终端的利用效率只能达到30% ～47%。而DES 的能源利用率可达到90%，没有输电损耗［3］。

另外，传统动力系统的技术开发以及商业化的努力方向主要着眼于单独的设备，例如，集中供热、直燃式中央空调及发电设备。这些设备的共同问题在于单一目标下的能耗高，在忽视环境影响和不合理的能源价格情况下，具有一定的经济效益。但是，从科学技术角度出发，这些设备都尚未达到有限能源资源的高效和综合利用，而DES 将这些设备进行最优化拟合，达到有限能源资源的高效和综合利用。

随着我国城市化水平的进一步提高，规模在100，000m2左右的民用、公用和商用建筑已经相当普遍。文中笔者将设计一种技术可靠、适用性强、经济性能良好，适用于住宅、医院、酒店、综合办公大楼等用户需求的新型分布式能源冷热电三联供综合技术解决方案，替代和优化整合目前由常规的燃煤、燃油、燃气锅炉的采暖系统。

由于本课题是一项多目标多约束条件的研究课题，所以本文采用多方案的选择与计算方法进行分析，并假定比较分析的各种约束条件不随方案的变化而改变。通过对不同方案的优化计算，得出相应方案的各项特性指标，同时对各项指标配以不同的权重，从整体角度对各方案的优劣进行综合评判。

2 系统各项设计指标的确定

项目建设地点选在南方某市。由于公用性和商用性建筑用能结构具有典型性，所以在项目的设计过程中，冷热电三项指标将以这两种建筑的相应标准选取。需要指出的是，计算冷热负荷时，按惯例设计部门根据1990年建设部颁布的标准进行设计，一般取极限值，但根据各地项目的实际运行情况，在绝大多数条件下，建筑对冷热的需求是达不到设计要求的。例如，上海某医院25，000 m2的面积，按设计规范要求选用了一台1，180 kW 燃气轮机，系统建成后电和热均无法全部消化，设备出力的最高负荷只有600 kW，所以按极限值配置系统必然造成设备投资的极大浪费。因此，在项目设计过程中，将根据地区实际测量指标进行设计，并取同时利用系数为0.9 左右。另外，项目各方案都可以通过增加补燃量满足设计极限条件的需要。

建设地室外气象参数见表1。

表1 建设地室外气象参数

项目对冷、热、电三项设计指标的取值，以及项目对冷、热、电三部分能源的总体设计需求见表2。

表2 冷、热、电设计指标以及项目对冷、热、电的总体需求

3 新型分布式能源系统方案的拟定及设备

项目能源的需求主要是电力、采暖、制冷和生活热水。由于热力和制冷一般无法得到外部支持，而电力可以依靠电网补充，所以燃气发电装置的功率选择，主要依照“以热(冷)定电”的原则。根据项目实际情况，计划在制冷和供热两项需求上基本满足平均负荷需求，电力解决25%～50%的负荷需求，保证关键部位的电力供应安全。由于用户对能源的需求具有非恒定性，所以项目需要通过蓄热和蓄冷技术进行调节，力求总量平衡。同时，尽量减少机组在夜间低谷低电价的时段运行，避免浪费，提高系统的经济性。

根据世界能源消费结构的发展趋势和国际上的最新设计理念，本系统拟采用美国索拉透平公司的小型燃气轮机和中国远大空调公司的溴化锂吸收式空调系统，为用户提供电力、制冷、采暖和生活用热水。

3.1 系统选择的拟定

通过以上的计算与分析，系统选择三种方案。

(1)方案1:一台Solar Saturn20 燃气轮机和一台型号为BZE600 烟气直燃机组合匹配，冷热供应满足需要，电力满足系统25%的需求。以天然气为燃料送入燃气轮机燃烧后，高温排气进入直燃机，夏季供冷、冬季供热，电力不足部分由电网提供。

(2)方案2:一台Solar Saturn20 燃气轮机和一台余热利用锅炉(采暖、生活用热水以及制冷蒸汽源)以及一台型号为BS600 的双效蒸汽机组合匹配，冷热供应满足需要，电力满足系统25%的需求。天然气送入燃气轮机燃烧发电后，高温排气送入余热锅炉制取蒸汽，夏季蒸汽经分汽缸至BS600 型双效蒸汽机供冷;冬季蒸汽经分汽缸至换热器制取热水供暖;电力不足部分由电网提供。

(3)方案3:两台Solar Saturn20 燃气轮机和两台型号为BE300 的双效烟气机组合匹配，冷热供应满足需要，电力满足系统50%的需求。以天然气为燃料送入燃气轮机燃烧后，高温排气进入BE300 型双效烟气机，夏季供冷、冬季供热，电力不足部分由电网提供。

3.2 系统设备

3.2.1 燃气轮机系统

位于美国圣地亚哥的Solar 透平公司主要生产1 ～13MW 小型燃气轮机，产品大量应用于冷热电联产项目，Solar 燃气轮机的特点如下:

(1)以Solar 小型燃机为主体的热电联产系统比其他热电联产系统更加坚固耐用，一般可以连续运行30年，Solar 燃机的大修周期为3 ～4 万小时。

(2)适用于多种气体燃料和液体燃料。还可以在不同形态的燃料之间随时进行切换，这一性能无论对燃气管道的安全运行，还是供电供热用户的供能安全，都极其重要。

(3)余热回收方式简单，热电联产千瓦造价低。

(4)生产高品质余热，不仅可用于各种工艺方式，还可以实现联合循环热电联产，达到能源高效利用。

(5)运行费用低，热效率高，经济效益好。

3.2.2 溴化锂吸收式制冷系统

本项目中，拟用中国远大空调公司的三种不同形式溴化锂吸收式空调机组进行方案的组合。远大溴化锂吸收式空调机组的特点如下:

(1)烟气直燃机

烟气直燃机利用燃气轮机的发电尾气制冷和制热，不仅可以大幅度节能，还可以利用天然气独立提供冷或热，适用于大型建筑和区域空调系统。优点是在正常发电的情况下，制冷、制热不需要能源，少发电或不发电时也可以提供冷和热。缺点是该系统的投资成本和保养费用较高。

(2)双效蒸汽机

由燃气轮机利用天然气发电，将尾气中的余热通过余热锅炉回收转换成蒸汽利用，冬季依靠热交换器转换为热水采暖，夏季依靠蒸汽溴化锂吸收式空调机组制冷。

由余热锅炉—双效蒸汽机组成的系统是一个传统的解决方案，适合于蒸汽需求量较大、蒸汽品质要求较高的项目，适合有蒸汽锅炉和蒸汽溴化锂吸收式空调机组的单位进行冷热电联产改造。但系统中可能还需要一台小型蒸汽锅炉来提供冬季、夏季燃气轮机不运行时段的采暖、制冷的蒸汽需求。系统较复杂，运行维护成本高，增加了压力容器，所以安全要求也较高。

(3)双效烟气机

双效烟气机完全利用燃气轮机排出的尾气作为制冷热源，制冷和供热完全不需要燃料，从而大幅度提高了能源利用率。但系统本身存在一些制约因素，即发电和制冷供热必须同步，如果只需要电时，尾气没有被利用;如果不需要电时，空调就没有了热源。

3.2.3 余热锅炉

余热锅炉是技术非常成熟的产品，不仅能充分利用各种废热，也可以采用补燃技术，增加供热能力，提高供热灵活性。项目采用杭州锅炉厂的余热锅炉。Solar Saturn20 机组和余热锅炉补燃在海拔高度约700m、空气湿度为80%、年平均气温16.6℃的基本状况下各性能参数的比较见表3。

表3 余热锅炉补燃工况比较

根据表3 数据说明，本项目在方案二中采用余热锅炉补燃到927℃的工况，是整个系统各性能参数达到最优匹配的工况。

3.3 系统各方案比较

本项目保障100，000m2的采暖/制冷需求和部分电力供应，对不同的技术解决方案，根据供热制冷的基本要求，从机组所能达到的技术指标角度进行分析比较，见表4。

表4 各方案机组所能达到的技术指标

设备容量备用系数即系统对能源的需求占设备最大出力的百分比。表4 的计算结果表明:方案三是最合理的技术解决方案，此方案采用两套机组，不仅满足了项目对制冷和采暖的需求，增强了系统的灵活性，而且供电既稳定又安全。

4 系统运行时间

每一个项目都有自身的内部需求以及需求规律，因此设备利用时间也有所不同。由于燃气轮机年利用周期是一个对项目进行经济评价的关键因素，所以在对项目进行热经济性分析之前，需要确定设备在采暖期、制冷期和非采暖制冷期的实际运行时间，见表5。

表5 项目设备的年利用时间

三个方案采用相同的运行规律，冬季和夏季机组满负荷持续运行，通过减少补燃来解决机组供热和制冷调峰问题。在春秋非采暖制冷期，方案一和方案二始终保持机组50%出力运行，方案三保持一套机组满负荷运行，解决建筑对热水等用热的需求，电力不足部分由电网供给。

5 系统的热经济性分析

5.1 设备的投资预算

本项目的设备投资主要为燃气轮机、溴化锂吸收式空调机组和余热利用锅炉。

(1)燃气轮机需从国外进口，这里燃气轮机进口税率按30%计，如果业主是中外合资企业，则可以申请免税。燃气轮机的报价以Solar 公司的报价作为参考，一般为664 万元，其中包括控制系统和天然气/柴油双燃料系统。燃机生产的电力可直接与用户380V 供电系统连接，并在客户端进行调频调峰，设备现场无须人员职守。

(2)溴化锂吸收式空调机组的报价以远大空调公司的报价为参考，设备本身包括辅助燃烧系统、控制系统等，控制系统可以同燃气轮机匹配衔接，实现无人职守。

系统设备投资预算见表6。

5.2 系统收益分析

对于业主而言，系统在建成投产后，主要包括两个方面的经济收益，即电收益和冷热收益。

首先，项目投资的第一项收益是所节约的电费。

表6 系统建设的设备投资预算分析

由于我国商业和非普通工业用电的价格构成比较复杂，为便于计算与分析，这里按平均电价0.65 元/kWh 进行计算。前面已经叙述，项目的设备发电效率是按照当地的平均条件进行考虑的，所以在计算过程中不考虑其它的衰减因素，发电收益见表7。

表7 项目的发电收益分析

其次，项目投资的第二项收益是冷热收益。

项目中，由于使用了三种不同系统，因此对冷热价格的确定产生了一定的影响。为了方便对各系统进行对比分析，以系统生产冷热的最大成本作为方案比较的冷热参考价格，因此按方案二进行确定。按热值计算法天然气燃料的价格为30.7 元/GJ，由于余热锅炉补燃后热利用效率为89.84%，所以热价为34.17 元/GJ。同时，还需要支付水处理成本2 元/t 左右，预计成本价格超过36 元/GJ。由于采用的是冷热无收益评价方法进行分析，因此建议冷热价格按36 元/GJ 考虑，冷热收益见表8。

表8 项目的冷热收益分析

5.3 系统成本支出费用分析

5.3.1 天然气消耗比较

系统建成投产后，主要的成本支出包括燃料费用和运行费用，其它的小额费用支出，这里暂不考虑。

由系统的配置可知，在系统消耗的燃料种类之中，天然气占了绝对的比重。除燃气轮机消耗的燃料外，烟气直燃机和余热锅炉的补燃也需要大量的燃料，所以燃用天然气产生的费用是系统最大的成本支出。出于模型的简单化，这里只考虑设备本身所消耗的天然气量，而未按照系统实际运行时燃料消耗的实际情况进行计算。天然气消耗量及成本支出见表9。

表9 天然气消耗量及成本支出

5.3.2 运行费用比较

有关运行费用的计算，本文以国际上的统计数据作为参考，按系统发电量计算，见表10。

表10 项目各方案的运行费用分析

5.3.3 综合比较

虽然在系统的初步设计及设备选型时，完全满足了项目对冷热的需求，但由于各方案中设备的配置不同，所以各有优缺点，各方案综合比较分析见表11。

表11 项目各方案的综合比较分析

方案一选用了烟气直燃机，虽然在制冷系统这个环节上设备投资加大，但增强了系统的灵活性与适应性。由于方案匹配中燃机发电尾气不能够完全被消化吸收，造成一定的浪费，因此方案可增加其它的余热利用装置。此方案适合于除制冷、采暖和生活用水以外对蒸汽还有更大需求的单位，比如医院等。

方案二采用了余热锅炉和双效蒸汽机，虽然系统配置也可以满足项目对能源的需求，但是由于系统中增加了余热锅炉以及水处理设备，导致系统复杂化，运行维护成本及安全要求都比较高。

方案三采用两套机组，虽然在投资成本上高于另外两个方案，但是双效烟气机可以完全吸收利用燃机尾气进行制冷制热，而且系统发电量是前两个方案的二倍，成本回收只需要3.9年。

6 结语

通过对各个方案特点的分析，笔者认为，方案一和方案三适用范围更广，是未来进行新型分布式能源冷热电联产系统建设的主导方案。本文采用的是供热制冷无收益的评价方法进行计算，设备可以在约4.5年收回成本，具有良好的经济效益。

需要指出的是，不同的项目对冷热的要求不同，所以在对具体项目进行设计时，应按实际情况进行参数的选取。

1 张洪伟，黄素逸，龙妍. 分布式能源系统与可持续发展战略［J］. 节能，2004 (2):41 -44.

2 Weinberg Carl J. Keeping the lights on sustainable scenarios for the future ［J］. Cogeneration and On -site Power Production，2001，2 (3):49 -64.

3 徐建中. 分布式供电和冷热电联产的前景［J］. 节能与环保，2002 (3):10 -14.